电磁场理论与新技术刍议

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摘要：本文就最近发展的高新技术中有关电磁场和电磁波问题展开探讨,并在此基础上对当前高新技术的发展与电磁场理论的关系进行了较全面的概括,同时提出了作者的个人看法。

关键词：隐身逆散理论；小波变换理论；数字波束形成；手征媒质

中图分类号：O44文献标识码：A文章编号：1005-5312（2011）05-0256-01

一、前言

电磁场理论是电工学和电子学的一门十分重要的基础课程。无论是电机、电器、高压输电、测量仪表以及一切无线电工程系统,例如,通信、广播、雷达、导航等的无线收发、讯号传输、电波传播等等,大到宇宙空间的星体辐射,小到集成电路的布线位置都牵涉到电磁场理论的问题。这里我准备就最近发展的高新技术中有关电磁场和电磁波的问题谈谈自己的一点认识。

二、研究背景

在海湾战争中美军使用F-117A隐身飞机成功地突破伊拉克的空防线完成了许多危险性最大的战略性攻击任务,占攻击目标的40 %,命中率高达85 %。参战的44架F117A型隐身飞机共出动1 300次,飞行6 900 h,没有一架被击落 ,可见其隐身的有效性。飞机在鼻锥方向对微波雷达的RCS只有0.025 m2 ,为常规战斗机的1 / 200。很重要一个方面的内容是电磁波的散射问题。电磁波投射到飞行目标上将发生散射。散射回来的电磁波究竟有多大场强 ,怎样减少回波的强度以达到隐身的目的 ,这些问题引起了广大从事电磁场研究工作人员的关注。因此目前大量的研究工作集中在如何计算电磁波投射到各种不同材料组成的各种形状物体的散射场上。根据最近报导 ,用碳化硅烧结出来的陶瓷 ,能有效地吸收频率从10 MHz到10.2 Gz的电磁波，吸收率达到99.2 %。电磁散射的研究不只是为了隐身的目的，对地下资源和地层结构的勘探，对目标识别，对天线辐射，对电磁兼容等都有非常重要的意义。逆散射是由已知散射场的分布反过来确定波源和散射体的位置形状和组成。目标识别形状重建和微波成像都是的具体应用。

三、研究现状探究

由于计算机的迅速发展 ,计算电磁场边值问题时出现的积分方程和微分方程均可用数值方法来求解。人们提出了许许多多方法 ,如矩量法、有限差分法、有限元法、边界元法、共轭梯度和快速付里叶变换法、时域有限差分法、多重多极展开法等等。关于电磁场的数值计算方法已经有专门的著作 ,1994年在北京还专门召开了一次计算电磁学的国际会议。另外一个新提出来的方法是小波理论 (亦称子波理论 )。我们知道 ,从目标散射回来的电磁能量提供了识别目标的信息。回波可以用频域法分析 ,也可以用时域法分析。全面掌握目标的特征 ,应该采用时间－频率合一法来表示回波。过去是采用STFT（Short-Time Fourier Trans form）来获得时间－频率表征图 ,它的缺点是分辩率固定不变。如果采用小波变换 ,则在时间上有可变的分辨率 ,而在频率上又有多个分辨率。小波表示法比通常的STFT表示法有更完善的表示目标散射回波的时间－频率表征图 ,因此藉助这种方法可以获得更高的精确度。此外 ,小波变换理论又为大规模并行计算和信号实时处理提供了可能。由于小波变换作为运算工具有着十分看好的前景 ,它已受到人们愈来愈多的关注。

高新技术的发展对天线和电波传播提出了许多新的研究课题。例如,由于固体微波源已经发展到可以用微处理机按预定方式控制其幅度与相位 (频率),也由于高速数字处理器已经可以对及其复杂的信号进行加工和实时图象识别 ,自适应天线得到了快速发展。随着要求雷达能面对多目标同时进行搜索和跟踪 ,以及在复杂电子对抗环境下照常工作的需要 ,数字波束形成 （DBF）技术日益受到重视。它不但可以提供多个低副瓣密集波束,而且具有精确高速处理多个目标的能力,因为只有在数字系统中才能实现快速、复杂的控制算法。结合卫星通信的发展 ,地面站和卫星上多波束天线的研究受到关注。在遥感技术中合成孔径雷达（SAR）的分辨力已可达到 1m×1m。新的研究方向是3D-SAR和动目标的检测问题。微带天线的问题仍然是加大带宽 ,双极化与圆极化、以及多层互耦的问题。在Ku波段 （12 GHz）卫星直播 （DBS）中采用的天线已由抛物面转向平面型。过去用微带 ,现已改用径向开槽天线 （RLSA),具有低增耗、高增益、低成本 ,高效率等优点。

同时，技术的发展也对材料和工艺提出了新的要求、手征 （chiral）材料涂敷于散射体可以减小散射。如将它填充于波导中可产生极化旋转和模式变换。此外 ,还可以作为微带天线的衬底以加强辐射 ,由于这些独特的特性 ,引起了人们对电磁场与手征媒质的相互作用产生了浓厚了兴趣。超导是另外一个高新技术的前沿学科。早在 1911年荷兰物理学家翁尼斯就发现汞在低于 4.15K温度时电阻下降了1010倍。超导的应用日益受到关注。例如 ,超导磁体被用在磁浮列车上 ,用在粒子加速器上等等。将两段超导导线用一薄层绝缘材料(如AL203 )连接起来构成的约瑟夫森结可用作电子开关 ,它的转换速度可在1μμs内完成，另外，利用超导量子干涉仪（SQUID）可以测出极其微弱的磁场强度。其它新开发的材料 ,例如 ,一种高μ(5 000 )、高饱和磁通密度和高居里温度的材料具有良好的宽频带抗干扰的能力 ;利用微波 /毫米波集成电路 (MIMIC)技术可以在 50ns之内改变相控阵单元的相位等等。

随着电子科学的飞速发展 ,电子设备的数量大大增加。根据统计 ,差不多每 4～ 5年增加一倍。举一个简单例子就可说明 :美军一个步兵师就至少拥有 70部雷达 ,2800部电台。这些电子设备占有很宽的频谱 ,加上发射功率年年增大 (最近 10 -15年增加了 20-30倍 ),同时接收机的灵敏度又提高到 10 -12W ,因此电台之间的干扰愈来愈严重。电磁兼容的问题已经到了非解决不可的时代了。这里也牵涉到电磁场和电磁波的辐射、传播、散射、耦合等等问题。例如 ,电磁波的泄漏与安全问题、移动通信网的电磁兼容问题、空中飞行器的电磁兼容问题、雷电干扰、屏蔽及测量以及最近发展的地震电磁学等等。

高新技术的发展也对材料和工艺提出了新的要求、手征 (chiral)材料涂敷于散射体可以减小散射。如将它填充于波导中可产生极化旋转和模式变换。此外 ,还可以作为微带天线的衬底以加强辐射 ,由于这些独特的特性 ,引起了人们对电磁场与手征媒质的相互作用产生了浓厚了兴趣。超导是另外一个高新技术的前沿学科。早在 1911年荷兰物理学家翁尼斯就发现汞在低于 4.15K温度时电阻下降了 1010 倍。超导的应用日益受到关注。例如 ,超导磁体被用在磁浮列车上 ,用在粒子加速器上等等。将两段超导导线用一薄层绝缘材料(如AL2O3 )连接起来构成的约瑟夫森结可用作电子开关 ,它的转换速度可在 1 μμs内完成 ,另外 ,利用超导量子干涉仪(SQUID)可以测出极其微弱的磁场强度。其它新开发的材料 ,例如 ,一种高μ(5000 )、高饱和磁通密度和高居里温度的材料具有良好的宽频带抗干扰的能力 ;利用微波 /毫米波集成电路 (MIMIC)技术可以在 50ns之内改变相控阵单元的相位等等。

四、结论

以上是我在参阅国内外一些期刊报导 ,有关高新技术的发展 ,就其与电磁场理论的关系提出自己的一些看法。这些内容不可能概括全面 ,有许多问题因限于篇幅而未能一一涉及。例如 ,纳米科学中原子、分子团簇体的超导性 ,金属铁氧体超微粉的吸波性和顽磁性等等惊人的特性将会对未来的科学技术产生巨大的影响。总之 ,通过这篇文章的介绍 ,我想说明两个问题 :一是电磁场与电磁波所牵涉的范围非常广阔 ,二是需要研究和解决的电磁波的课题也非常广阔.

参考文献：

[1]D.K.CHEN（郑钧）.电磁场与波[M].高等教育出版社，1985.

[2]文舸一.计算电磁学的进展与展望[J].电子学报，1995.

[3]张之翔.电磁学教学札记[M].高等教育出版社.1987.

[4]谢益溪.无线电波传播原理与利用[M].人民邮电出版社.2008.